1.9 Образование химических связей

При сближении взаимодействующих атомов, например, атомов водорода, происходит перекрывание электронных облаков этих атомов. В результате перекрывания возрастает плотность отрицательного заряда в пространстве между ядрами атомов. Положительно заряженные ядра атомов притягиваются к отрицательно заряженной области перекрывания, что приводит к образованию устойчивой молекулы H₂ (рисунок 1.4). Образование химической связи возможно лишь в том случае, если спины взаимодействующих неспаренных электронов противоположно направлены.

Рисунок 1.4 – Возникновение общей электронной пары

при взаимодействии атомов водорода и образовании молекулы H₂

Схематически образование ковалентной связи на примере образования молекул водорода, хлороводорода и азота можно показать следующим образом:

В этих схемах внешние электроны атомов обозначают точками вокруг химического символа атома; общие для двух атомов электронные пары в образовавшейся молекуле показывают точками между символами атомов. При записи графических (структурных) формул химическую связь обозначают чёрточкой, которая заменяет обозначение общей электронной пары:

Химическая связь, образованная общей для двух атомов парой электронов, называется ковалентной связью. Валентность – это число химических связей, образуемых атомом данного элемента.

Выше рассмотрены примеры, в которых ковалентная связь образуется в результате взаимодействия неспаренных электронов, изначально принадлежавших двум различным атомам, и образования общей электронной пары. Такой механизм образования ковалентной связи называется обменным. Именно по обменному механизму образованы химические связи в молекулах водорода, хлороводорода и азота.

Кроме обменного механизма существует донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи, сущность которого можно показать на

примере образования иона аммония. Атом азота в молекуле аммиака связан с тремя атомами водорода тремя ковалентными связями, образованными по обменному механизму (крестиками в формуле аммиака показаны электроны, изначально принадлежавшие атомам водорода). Кроме того, у атома азота есть два спаренных электрона (неподелённая электронная пара). Такая пара электронов тоже может участвовать в образовании ковалентной связи с другим атомом, если во внешнем электронном слое этого атома е сть свободная орбиталь. Незаполненная орбиталь есть у иона водорода, который вообще лишён электронов. При взаимодействии молекулы аммиака с ионом водорода ковалентная связь возникает вследствие того, что неподелённая пара электронов атома азота занимает свободную орбиталь иона H⁺ и становится общей для обоих атомов. В результате этого взаимодействия образуется ион аммония (NH₄⁺):

Именно по донорно-акцепторному механизму образованы ковалентные связи в комплексных ионах (см. раздел 3.1 «Понятие о комплексных соединениях»).

В задании № 1 студентам предлагается записать сокращённые электронные формулы и электронно-графические схемы атомов заданных элементов в основном и возбуждённом состояниях (если возбуждённое состояние может быть реализовано в химическом процессе), а также кратко охарактеризовать биологическую роль данного элемента в живых организмах.

Пример 1.1 Запишите сокращённые электронно-графическую схему и электронную формулу атома азота в основном состоянии, проанализируйте возможность существования возбуждённых состояний и валентные возможности атома азота, охарактеризуйте биологическую роль азота в живых организмах.

А зот – p-элемент; у p-элементов валентными электронами (т.е. электронами, участвующими в образовании химических связей) являются электроны внешнего энергетического уровня, поэтому сокращённая электронная формула должна отражать строение внешнего энергетического уровня атома азота. Т.к. азот – элемент второго периода, то внешние электроны располагаются на втором энергетическом уровне, который образован одной s- и тремя p-орбиталями. Азот – p-элемент пятой группы, поэтому число электронов на внешнем уровне равно 5, из которых два располагаются на более низкой по энергии 2s-орбитали и ещё 3 – на p-орбиталях.

Сокращённая электронная формула атома азота в основном состоянии: 2s²2p³. Поскольку на втором энергетическом уровне отсутствуют d-орбитали, то возбуждённое состояние атома азота не может быть реализовано. Поэтому атом азота может образовать за счёт трёх неспаренных электронов 3 ковалентные связи по обменному механизму и 1 связь по донорно-акцепторному механизму за счёт неподелённой электронной пары. Таким образом, максимальная валентность атома азота равна 4.

Азот – важнейший биогенный элемент, необходимый для существования животных и растений, он входит в состав аминокислот, важнейших биополимеров: белков, нуклеиновых кислот (ДНК, РНК), а также, витаминов, гормонов (например, адреналин, тироксин), нуклеопротеидов, хлорофилла, гемоглобина.

Пример 1.2 Запишите сокращённые электронно-графическую схему и электронную формулу атома ниобия в основном состоянии, проанализируйте возможность существования возбуждённых состояний и валентные возможности атома ниобия, охарактеризуйте биологическую роль ниобия.

Ниобий – d-элемент; у d-элементов валентными электронами являются электроны внешнего энергетического уровня и d-предвнешнего подуровня. Поскольку ниобий элемент пятого периода, то сокращённая электронная формула должна отражать строение внешнего (пятого) энергетического уровня и 4d-подуровня. Пятый энергетический уровень образован одной s-, тремя p-, пятью d- и семью f-орбиталями:

В атоме любого d-элемента в невозбуждённом состоянии из всех орбиталей внешнего энергетического уровня занята только s-орбиталь, поэтому остальные орбитали при записи сокращённой электронно-графической схемы можно не указывать. Таким образом, валентные электроны в атоме ниобия будут располагаться на 5s-орбитали внешнего уровня и 4d-орбиталях предвнешнего. На s-орбиталях внешнего уровня у атомов d-элементов располагаются 2 электрона (если нет «проскока» электрона). Ниобий – третий d-элемент пятого периода, поэтому на d-орбиталях будет находиться 3 электрона. Таким образом, электронная формула атома ниобия в невозбуждённом состоянии 4d³5s². Следует обратить внимание, что общее число валентных электронов в атоме ниобия (5) равно номеру группы, в которой находится элемент. При возбуждении атома ниобия пара электронов на 5s-орбитали распаривается, и один из электронов переходит на 5p-орбиталь:

Сокращённая электронная формула атома ниобия в возбуждённом состоянии Nb* – 4d³5s¹5p¹. Как видно из электронно-графической схемы атома ниобия в возбуждённом состоянии, максимальная валентность атома ниобия равна 5.

Ниобий является неотъемлемым микроэлементом человеческого организма. Он концентрируется в костях, печени, мышцах, крови. Биологическая роль ниобия малоизучена. Известно, что ниобий гипоаллергенен: его можно безопасно использовать для введения в тело, так как он не вызывает биологического отторжения организмом. Это ценное свойство ниобия используется в восстановительной хирургии.

Задание № 1

Для указанного в заданном варианте химического элемента (таблица 1.2) запишите сокращённую электронно-графическую схему и сокращённую электронную формулу атома в основном и возбуждённом состояниях (если возбуждённое состояние может быть реализовано). Проанализируйте валентные возможности атома, охарактеризуйте биологическую роль заданного элемента.

Таблица 1.2 – Условия задания №1

Вариант	Химический элемент	Вариант	Химический Элемент	Вариант	Химический элемент
1	Mg	13	Br
2	Ca	14	Sn	25	Ni
3	B	15	Sb	26	Cu
4	C	16	Te	27	Zn
5	O	17	I	28	Mo
6	F	18	Pb	29	Ag
7	P	19	Bi	30	Cd
8	Si	20	Ti	31	W
9	S	21	V	32	Al
10	Cl	22	Mn	33	Cr
11	As	23	Fe	34	Au
12	Se	24	Co	35	Hg